专利名称：一种三维场景中的物体显示方法
技术领域：
本发明涉及三维动态场景中实时绘制三维物体方法，尤其涉及一种用实物照片替代常规模型在三维场景中模拟显示高度仿真的三维物体的方法。属于计算机应用领域，特别是计算机图形学、虚拟成像技术领域。
背景技术：
三维实时虚拟显示技术已广泛应用在游戏、虚拟仿真等领域中，它具有强大的交互能力和三维空间展示能力。但在现有的计算机软、硬件条件下，三维模型制作复杂，模型仿真度低，在三维渲染时不及物体图片和视频。这使三维实时虚拟显示技术无法达到即能保持强大的互动性又能高仿真的模拟展示物体。目前在计算机三维仿真系统中是运用事先做好的模型来模拟三维物体的展示，当前使用的技术主要是以下两种基于图像的建模技术按角度对实物采样，通过计算机算生成三维模型，然后简化为最终模型，同时制作模型表面纹理贴图。基于建模工具软件建模技术运用建模工具软件，按实物制作出三维模型，同时制作模型表面纹理贴图。现有的这两种主流技术都需要模型制作软件来建立物体的模型，也需要图形制作软件来制作模型表面的纹理贴图。但在现有的计算机软件硬件条件下，三维模型制作复杂， 模型仿真度低，在三维渲染时即便可以制作出真实物体的外形、轮廓，也不及物体照片和视频所能达到的真实度。这使三维实时虚拟显示技术无法达到即能保持强大的互动性又能高仿真的模拟展示物体。同时由于三维仿真系统对模型低点面数，控制纹理贴图数量大小的要求，使得这些技术在应用时变的非常困难，需要制作人员有非常高的技术能力和应用经验。有鉴于此，本领域发明人针对上述问题，开发了一种新的三维场景中的物体显示方法，以提高展示物体的真实度，并降低制作人员的技术制作难度。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种照片替模渲染技术，即用真实物体的照片，在三维场景中替代模型渲染，达到虚拟仿真的一种技术方法，克服了现有模型渲染技术的缺点，从而实现在三维虚拟仿真环境下，真实物体的无差别展示，包括场景中物体的大小、旋转角度、位置关系及物体的各个表面、物体与场景中其它物体的遮挡关系、物体与其它物体的角度关系等。本发明采用如下技术方案所述三维场景中的物体显示方法，包括以下步骤1)将在三维场景中使用的物体，放置到相机拍摄区域中，根据三维场景中眼睛观察角度，依据三维场景互动时的角度变化需求，等分环绕拍摄η张物体照片。得到物体照片组P [1]，P [2]，P [3]，P [4]，P [5]... P [η]，η为实际应用三维场景中观察角度个数，由360度等分及当前三维场景物体表现细腻程度决定，观察角度的个数与照片数相同，即η的数目与实际应用中三维场景可变化视角个数相同。其中，三维场景是指使用计算机实时三维图形技术显示的，虚拟仿真显示的三维环境影像。眼睛观察角度是指眼睛与水平地面的夹角度数，角度可以是30度到60度之间的任意角度，优选30度到45度。等分环绕是指以观察点为原点，观察点到眼睛位置为半径旋转等分角度。2)利用图片处理工具对所述步骤1)中的照片进行处理将目标物体轮廓以外的背景部分做透明处理，依次将处理过的照片存储为大小统一的照片组G[l]，G[2]，G[3]，G[4]， G[5]...G[n] ；η的数值与所述步骤1)中η的数值相同。其中，将照片中目标物体以外的内容做透明处理的技术可参见《计算机图形学基础》的文献报道。3)确定三维场景中物体在不同视角下应该显示的所述步骤2、中照片序号，根据公式A = F+H*n/360，其中物体照片初始序号为F，当前眼睛新视角即与初始视角夹角为H， 照片总数为n，计算出A为新视角下最终所使用的照片序号，调用G[A]为新视角下最终所使用的照片。4)运用billboard中的视点朝向技术，Alpha透明技术，深度缓冲技术处理所述步骤3)中照片，使得处理后的照片始终朝向观察者，照片中物体在三维场景中有透明感，照片中物体间的遮挡、大小比例关系；运用billboard中的公告板技术，将处理完的照片绑定到公告板上。其中，Billboard技术、alpha透明技术、深度缓冲技术都是现有技术，均可参见 《计算机图形学基础》的文献报道。Billboard技术中的视点朝向技术是指法向量始终平行视线方向，即场景所有的 Billboard使用同一个旋转矩阵，这样无法模拟透视投影的变形效果。当相机的视角和真实人眼的视角相一致时，或视角和Bi 1 Iboard都较小的时候，变形的效果可以忽略不计，此时Billboard的法向可以取为平行视线方向。反之，Billboard的法向应该取为从视点到 Billboard中心的连线。Billboard技术中的公告板技术是将照片铺贴在一个垂直于地面的长方形片内，形成绑定关系，长方形片即所述的公告板。Alpha透明技术是指用来使物体产生透明感的技术，比如透过水、玻璃等物理看到的模糊透明的景象，是一种让3D物件产生透明感的技术。深度缓冲是指在三维图形中处理图像深度坐标的过程，深度缓冲中的值被作为一个点的ζ坐标被称为buffer，通过深度缓冲可以实现三维场景中.物体远近的遮挡关系。5)所述步骤4)中的公告板在三维场景中显示时需与视角中心点位置有倾斜角度，其方法是，将公告板放置在三维场景中C (x, y，ζ)点处，场景视角中心点为W(x, y，ζ)，当前所述照片与水平面的倾斜角度为X轴a，Y轴b，Z轴c，a = (Cx-Wx) /k, b = (Cy-Wy) /k, c = (Cz-Wz)/k，k为倾斜系数值为20，通过计算结果可以确定所述公告板在三维场景中正确的角度及相互间的角度关系，从而模拟实现了物体在场景中的大小，遮挡关系.6)将所述步骤5)中绑定照片的公告板按所述步骤3)的方法放置到三维场景中的各个相应位置，即可以实现在三维场景中物体的显示。由于采用了以上技术方法，本发明与现有技术相比，本发明的三维场景中的物体显示方法，通过照片替模渲染技术的应用，以及展示方式从三维模型展示改进为照片展示， 可以真实的无差别的在三维仿真系统中表现出物体，提高了三维仿真展示效果。同时降低了制作成本、制作时间也简化了制作流程。
图1为本发明的拍摄示意图。图2为本发明中三维场景中的物体显示方法的流程示意图。图3为实施例1中三维互动场景中以30度俯视方式观察双人床视角为30度的效果图。图4为实施例2中三维互动场景中以45度俯视方式观察沙发茶几套装初始视角的效果图。图5为实施例2中三维互动场景中以45度俯视方式观察沙发茶几套装视角为36 度的效果图。图6为实施例2中三维互动场景中以45度俯视方式观察沙发茶几套装视角为72 度的效果图。图7为实施例2中三维互动场景中以45度俯视方式观察沙发茶几套装视角为144 度的效果图。
具体实施例方式下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。实施例1本方法是一种三维场景中的物体显示方法，是用实物照片替代模型在三维场景中显示高度仿真的三维物体的方法。本方法方法分为模拟制作部分和三维渲染部分，流程图如图2所示。在实施例1中采用Sumo paint图像处理软件。模拟制作部分的制作过程为步骤S201、步骤S202、步骤S203、步骤S204、步骤 S205。在步骤S201，将目标物体一张双人床放置在一定的空间内，可使物体或拍摄设备沿圆周移动即可。在步骤S202，按实际三维场景中眼睛的观察角度，本实施例中选取30度俯视方式的拍摄角度如图1中所示角度为θ =30度。在步骤S203，将实际三维场景中逆时针旋转观察的可变换角度数等分为12份，每份30度。重复步骤S202、S203拍摄12张所述目标物体一张双人床的照片，将获得的所述初始照片命名为？[1]，？[2]，？[3]，？^]，戸[5]……P[12]制成物体照片组。
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在步骤S204，按所述目标物体一张双人床的轮廓，将所述初始照片中所述目标物体一张双人床轮廓以外的部分做透明处理。在步骤S205，将所有处理完的物体照片存储为PNG格式，像素大小为256X256 ；将获得的显示照片命名为G[l]，G[2]，G[3] ,G[4], G[5]……G[12]制成显示照片组。至此，模拟制作部分全部制作完成。三维渲染部分的制作过程为步骤S206、步骤S207、步骤S208、步骤S209。在步骤S206，计算所述物体在三维场景中不同视角下显示的所述显示照片的序号，按照计算公式A = F+H*n/360可以获得所述物体在新视角下的所述显示照片序号，并进一步地获得相应的所述显示照片，所述公式中物体照片初始序号为F，当前眼睛新视角即与初始视角夹角为H，照片总数为n，A为所述新视角下使用的所述显示照片序号，调用G[A] 为所述新视角下使用的所述显示照片。在本实施例中，当要从初始视角调整为逆时针旋转 30度的视角时，F = 1，H = 30度，η = 12，计算得出A = 2，即在新视角下显示的照片为 G[2]0在步骤S207，运用billboard技术中的视点朝向技术，alpha透明技术，深度缓冲技术处理照片，以保证得到的照片始终朝向观察者，照片中物体在三维场景中有透明感，物体按远近距离形成实际的遮挡关系和大小比例关系。将处理好的照片绑定到billboard技术中的公告板上。在步骤S208，计算公告板与视线场景中心距离关系的轴向倾角，将公告板放置在三维场景某C(x，y，ζ)点，场景视角中心点为W(x，y，ζ)，当前公告板与水平面的倾斜角度为 X 轴 a，Y 轴 b，Z 轴 c，a = (Cx-Wx) /k, b = (Cy-Wy) /k, c = (Cz-Wz) /k, k 为倾斜系数值为20，C点坐标C(0，0，0)，W点坐标W(0，0，20)，计算出a = 0，b = 0，C = -1，即公告板平面与Z轴夹角-1度，得到在三维场景中最终显示物体的公告板，这样当公告板放置到三维场景的各个相应位置时就能模拟实现物体在三维场景中的大小，遮挡关系。从而最终实现了在三维场景中物体的显示。在步骤S209，根据互动时变换后的视角，替换场景中双人床的显示照片，并重复步骤S208得到公告板的新倾斜角。至此，三维渲染部分部分全部制作完成。按照所述方法完成的三维场景中物体显示的效果如图3所示，反映了以30度俯视方式观察双人床30度视角的效果。实施例2本方法是一种三维场景中的物体显示方法，是用实物照片替代模型在三维场景中显示高度仿真的三维物体的方法。本方法方法分为模拟制作部分和三维渲染部分，流程图如图2所示。在实施例2中采用photoshop 9. 0图像处理软件。模拟制作部分的制作过程为步骤S201、步骤S202、步骤S203、步骤S204、步骤 S205。在步骤S201，将目标物体沙发茶几套装放置在一定的空间内，可使物体或拍摄设备沿圆周移动即可。在步骤S202，按实际三维场景中眼睛的观察角度，本实施例中选取45度俯视方式的拍摄角度如图1中所示角度为θ = 45度。在步骤S203，将实际三维场景中顺时针旋转观察的可变换角度数等分为10份，每份36度。重复步骤S202、S203拍摄10张所述目标物体沙发茶几套装的照片，将获得的所述初始照片命名为？[1]，？[2]，？[3]，？^]，？[5]...卩[10]制成物体照片组。在步骤S204，按所述目标物体沙发茶几套装的轮廓，将所述初始照片中所述目标物体沙发茶几套装轮廓以外的部分做透明处理。在步骤S205，将所有处理完的物体照片存储为PNG格式，像素大小为512)(512 ；将获得的显示照片命名为G[l]，G[2]，G[3] ,G[4],G[5]... G[10]制成显示照片组。至此，模拟制作部分全部制作完成。三维渲染部分的制作过程为步骤S206、步骤S207、步骤S208、步骤S209。在步骤S206，计算所述物体在三维场景中不同视角下显示的所述显示照片的序号，按照计算公式A = F+H*n/360可以获得所述物体在新视角下的所述显示照片序号，并进一步地获得相应的所述显示照片，所述公式中物体照片初始序号为F，当前眼睛新视角即与初始视角夹角为H，照片总数为n，A为所述新视角下使用的所述显示照片序号，调用G[A] 为所述新视角下使用的所述显示照片。在本实施例中，当要从初始视角调整为顺时针旋转 36度的视角时，F = 1，H = 36度，η = 10，计算得出A = 2，即在新视角下显示的照片为 G[2]；当要从初始视角调整为顺时针旋转72度的视角时，F= 1，H = 72度，η= 10，计算得出A = 3，即在新视角下显示的照片为G[3]；当要从初始视角调整为顺时针旋转144度的视角时，F = 1，H = 144度，η = 10，计算得出A = 5，即在新视角下显示的照片为G[5]。在步骤S207，运用billboard技术中的视点朝向技术，alpha透明技术，深度缓冲技术处理照片，以保证得到的照片始终朝向观察者，照片中物体在三维场景中有透明感，物体按远近距离形成实际的遮挡关系和大小比例关系。将处理好的照片绑定到billboard技术中的公告板上。在步骤S208，计算所述公告板与视线场景中心距离关系的轴向倾角，将公告板放置在三维场景某C(x，y，z)点，场景视角中心点为W(x，y，z)，当前所述公告板与水平面的倾斜角度为 X 轴 a，Y 轴 b，Z 轴 c，a = (Cx-Wx) /k, b = (Cy-Wy) /k, c = (Cz-Wz) /k, k 为倾斜系数值为20，C点坐标C(0，0，0)，W点坐标W(0，0，50)，计算出a = 0，b = 0，C = -2. 5，即公告板与Z轴夹角-2. 5度，得到在三维场景中最终显示物体的公告板，这样当公告板放置到三维场景的各个相应位置时就能模拟实现物体在三维场景中的大小，遮挡关系。从而最终实现了在三维场景中物体的显示。在步骤S209，根据互动时变换后的视角，替换场景中沙发茶几套装显示照片，并重复步骤S208，得到公告板的新倾斜角至此，三维渲染部分部分全部制作完成。按照所述方法完成的三维场景中物体显示的效果如图4所示，反映了以45度俯视方式观察沙发茶几套装初始视角的效果；如图5所示，反映了以45度俯视方式观察沙发茶几套装36度视角的效果；如图6所示，反映了以45度俯视方式观察沙发茶几套装72度视角的效果；如图7所示，反映了以45度俯视方式观察沙发茶几套装144度视角的效果综上可知，本发明的三维场景中的物体显示方法，通过照片替模渲染技术的应用，以及展示方式从三维模型展示改进为照片展示，与现有技术相比，其优点如下1)可以真实的无差别的在三维仿真系统中表现出物体，提高了三维仿真展示效果。2)大大简化了传统建模所造成的建模工作量大、建模工艺要求高、模型三维仿真展示效果失真的问题。3)用照片替代模型制作也降低了制作成本、制作时间也简化了制作流程。应该理解，以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想、方法及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，因此，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化、修改或替换，仍落在本发明的专利范围内。
权利要求
1.一种三维场景中的物体显示方法，其特征在于包括以下步骤1)用相机拍摄要在三维场景中显示的物体的照片，对所述照片编号，形成照片组；2)选取所述照片于三维场景中不同视角显示；3)对所述选取的照片做三维渲染处理；4)将所述处理后的照片放置到三维场景中。
2.根据权利要求1所述的三维场景中的物体显示方法，其特征在于所述步骤1)拍摄物体照片方法，将在三维场景中使用的物体，放置到相机拍摄区域中，根据三维场景中实际观察角度，等分环绕拍摄物体，依据三维场景互动时的角度变化需求，拍摄η张照片，η为实际应用三维场景中观察角度个数，由360度等分及当前三维场景物体表现细腻程度决定， 观察角度的个数与照片数相同，使用图像处理软件对所述物体照片进行处理，将所述物体照片中物体轮廓以外的背景部分做透明处理，所述处理后的照片存储为大小统一的照片组 G[l]，G[2]，G[3] ,G[4],G[5]...G[n],n为照片序号，其数值与照片数量相等。
3.根据权利要求1所述的三维场景中的物体显示方法，其特征在于所述步骤幻照片的选取方法，根据公式A = F+H*n/360，确定三维场景中物体在不同视角下显示的照片序号， 公式中F为物体照片初始序号，H为当前眼睛新视角即与初始视角夹角，η为照片总数，计算出A为新视角下使用的照片序号，G[A]为新视角下所要选取的照片。
4.根据权利要求1所述的三维场景中的物体显示方法，其特征在于所述步骤幻三维渲染处理所述照片的方法，运用billboard中的视点朝向技术，使照片始终朝向观察者，运用alpha透明技术，使在三维场景中显示的物体有透明感，运用深度缓冲技术，使三维场景中物体间正确的遮挡、大小比例关系。
5.根据权利要求1所述的三维场景中的物体显示方法，其特征在于所述步骤4)三维场景中所述照片的放置方法，运用billboard中的公告板技术绑定照片于公告板上，将公告板放置在三维场景中C(x，y，z)点处，场景视角中心点为W(x，y，z)，计算公告板与水平面的倾斜角度 X 轴 a，Y 轴 b，Z 轴 c，a = (Cx-Wx) /k, b = (Cy-Wy) /k, c = (Cz-Wz) /k, k 为倾斜系数值为20，按计算出的公告板与视角中心点位置倾斜角度放置公告板到三维场景中。
全文摘要
本发明公开了一种三维场景中的物体显示方法，以实物照片替代现有模型技术在三维场景中显示高度仿真的三维物体，属于计算机图形学虚拟成像技术领域。首先按实际三维场景中的观察角度和实际旋转角度等分环绕拍摄物体照片，将物体轮廓外部分透明；其次根据不同视角计算并使用正确照片显示，使用billboard技术、alpha透明技术和深度缓冲技术三维处理照片；最后将照片按计算出的显示照片与视线场景中心距离关系的轴向倾斜角度进行倾斜，使用billboard技术放置照片到三维互动场景中显示。本发明的方法可以有效的提升三维场景中模型的真实程度，使用照片拍摄的方式替代建模有效减少了模型制作时间，降低了工艺复杂程度。
文档编号G06T13/20GK102411793SQ201110228999
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月10日 优先权日2011年8月10日
发明者陈翔 申请人:上海福家网络科技有限公司